제너럴일렉트릭(GE)의 공학자들이 제트 엔진을 3차원 인쇄술을 적용하여 만들면서 부가 가공법(additive manufacturing)에 대한 직접적인 통찰력을 얻고 있다. 제너럴일렉트릭(GE)이 소형 제트 엔진을 3차원 인쇄술로 제작하는 데에 성공하였다는 소식은 관심을 끌었다. 보고서에 따르면 제너럴일렉트릭(GE) 공학자들은 분당 33,000회전수를 가지는 간단한 제트 엔진을 3차원 인쇄술로 제작하였다.

이 제트 엔진을 제작한 연구팀은 미국 신시내티(Cincinnati) 외곽에 위치한 제너럴일렉트릭 항공(GE Aviation)의 부가 가공 개발 센터(Additive Development Center)에 소속되어 있다. 부가 가공 개발 센터는 층 단위로 금속 분말을 녹여서 3차원 구조를 만드는 3차원 인쇄술 기법에 집중하고 있다. 

제너럴일렉트릭 항공(GE Aviation)은 제트 엔진(항공기용 추진 장치의 하나로서 엔진 속을 통과하는 공기에 에너지를 부여해서 후방으로 고속으로 분출하고 그 반작용으로서 생기는 추진력을 이용하는 것), 터보프롭 엔진(turboprop engine: 터보제트에 프로펠러를 장착한 항공기용 제트엔진), 구성 부품, 집적 시스템 등을 공급하고 있다. 

제너럴일렉트릭 항공(GE Aviation)의 웹사이트는 3차원 인쇄술 접근법을 검토하였고, 기존의 제작법과 결별하였다고 기술하였다. “금속판으로부터 부품을 밀링 가공하는 전통적인 가공 방법과 달리 부가 가공법은 미세한 금속 분말층과 전자빔 혹은 레이저를 이용하여 3차원 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일로부터 직접적으로 부품을 성장시킨다. 결과적으로 낭비하는 재료 없이 복잡하고 완전히 조밀한 부품을 다른 방법으로 사용하였을 때 걸린 시간의 단지 일부만을 사용하여 만들 수 있다”고 웹사이트는 상세하게 전하였다. 

연구팀은 기술자, 기계 운전자, 공학자 등으로 구성되며 자신들이 가진 기술들을 공유하였다. “우리는 부가 가공법으로 제작된 부품들을 거의 전적으로 이용하여 동작하는 소형 엔진을 제작할 수 있는지를 확인하고 싶었다. 이것은 이 프로젝트가 가지는 흥미로운 면이었다”고 참가한 공학자들 가운데 한 명이 말했다.

연구팀은 ‘직접 금속 레이저 용융(DMLM: Direct Metal Laser Melting)’이라고 불리는 공정을 이용하였으며, 이러한 공정을 이용하는 가장 큰 장점 중 하나는 부품을 새로운 형상으로 재설계할 수 있다는 것이라고 부가 가공 개발 센터 소속의 공학자인 데이비드 바아토식(David Bartosik)이 말했다. 

제너럴일렉트릭(GE)이 부가 가공법을 탐색한지는 이제 한참이 되었다. 부가 가공법과 관련된 한 전문 웹사이트(AdditiveManufacturing.com)와 2013년에 수행한 인터뷰에서 그레그 모리스(Greg Morris)와 토드 록스트로(Todd Rockstroh)는 3차원 인쇄술을 탐색하는 데에 있어 제너럴일렉트릭(GE)이 수행한 일을 기술하였다. 

토드 록스트로는 ‘직접 금속 레이저 용융(DMLM)’에 대하여 이야기 하였다. “직접 금속 레이저 용융(DMLM)은 층 단위로 3차원 물체를 용융하기 위하여 초점이 맞추어진 레이저를 사용하는 것이다. 이것은 다양한 산업에서 부가 가공법을 위하여 사용되는 용어인 선택 레이저 용융법(Selective Laser Melting), 선택 레이저 소결법(Selective Laser Sintering), 직접 금속 레이저 소결법(Direct Metal Laser Sintering) 등과 같은 것이다. 우리는 3차원 인쇄술을 위한 기계가 기술적으로 소결을 하지 않고 층 단위로 결합되는 일련의 융합을 중첩하여 수행하기 때문에 ‘용융(melting)’이라는 용어를 선택하였다. 기계적 특성은 일반적으로 단조(forging)에 가까우며, 주조(casting)보다는 훨씬 더 좋다”고 토드 록스트로가 기술하였다.

“부가 가공은 다른 방법으로는 만들 수 없는 기하학을 창안할 수 있는 능력을 제공한다. 부가 가공은 니켈 기반의 합금, 티타늄 등과 같이 항공 우주 산업에서 일반적으로 사용되는 재료를 이용하여 구성 부품을 만들 수 있기 때문에 항공 우주 산업에서 이 가공법은 특히 매력적이다. 그리고 우리는 상당한 무게 감소를 허용하지만 그 부품에 대한 기계적 무결성은 타협하지 않는 격자 구조(lattice structure)와 같이 설계 편익을 제공하는 구조를 가지는 부품을 부가 가공법을 이용하여 제작할 수 있다”고 그레그 모리스가 말했다.

이번에 제작된 것은 복잡한 상업용 항공기의 엔진이 아니다. 연구팀은 원격 제어 모형 비행기를 위하여 개발된 무선 조정 항공기 엔진을 설계하는 것을 시작하였다. 그리고 연구팀은 자신들이 보유한 3차원 인쇄기를 위하여 맞춤화한 계획을 세웠다. 최종 제품은 길이 1피트, 높이 8인치 정도를 가진다고 제너럴일렉트릭 보고서(GE Reports)에서 마이클 켈러(Michael Keller)가 말했다.

“부가 가공은 우리가 부품을 설계하는 방법, 구성요소를 제조하는 방법, 궁극적으로 제품이 어떻게 생기고 어떠한 기능을 수행해야 하는지에 대하여 우리가 생각하는 방식을 근본적으로 변화시킬 것이다. 제너럴일렉트릭(GE)에서 부가 가공 기술에 종사하는 모든 사람들은 제너럴일렉트릭 항공(GE Aviation)이 가지고 있는 이러한 기술을 가능한 완전하게 포용하는 조직의 일부가 되어서 매우 운이 좋다고 느낀다”고 제너럴일렉트릭 항공(GE Aviation)의 부가 가공 기술 부문 책임자인 그레그 모리스가 2015년 5월 초에 부가 가공에 대하여 평하였다.

올해(2015년) 하반기부터 제너럴일렉트릭(GE)은 최신의 연료 노즐을 구성하는 복잡한 구성요소를 만들기 위하여 부가 가공법을 이용하기 시작할 예정이다. 이것은 미국 앨라배마 주의 오번(Auburn)에 위치한 새로운 30만 평방피트의 시설에서 수행될 것이다. “연료 노즐은 복잡하고 매우 정교한 엔진 구성요소로 산업체를 선도하는 연료 효율과 차세대 제트 엔진을 위한 더 낮은 배출가스양을 달성하는 데에 중요한 것”이라고 제너럴일렉트릭(GE)은 전하였으며, 이 노즐은 리프(LEAP) 제트 엔진에서 채용될 것이다.  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』